Einhundert Prozent saubere Energie ohne Schadstoffe, das ist das Ziel von Perowskit-Solarzellen (PSCs). Sie versprechen eine hohe Effizienz und niedrige Produktionskosten und könnten die erneuerbare Energieindustrie revolutionieren. Doch die bestehende Schicht-für-Schicht-Herstellungsmethode stellt Hürden dar, die die Kommerzialisierung dieser Technologie behindern.
Forscher der City University of Hong Kong (CityU) und des National Renewable Energy Laboratory (NREL) in den USA haben nun gemeinsam einen innovativen Ein-Schritt-Lösungsbeschichtungsansatz entwickelt, der die Herstellung von PSCs vereinfacht und die Kommerzialisierung erleichtert. Die Ergebnisse wurden in der wissenschaftlichen Zeitschrift Nature Energy unter dem Titel „Co-deposition of hole-selective contact and absorber for improving the processability of perovskite solar cells“ veröffentlicht.
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„Die Reduzierung der Anzahl der Geräteverarbeitungsschritte ohne Einbußen bei der Geräteeffizienz wird dazu beitragen, die Prozesskomplexität und Herstellungskosten zu reduzieren, was die Herstellbarkeit von PSCs verbessern wird“, erklärte Dr. Zhu Zonglong, Mitautor der Studie und Assistenzprofessor am Department of Chemistry der CityU.
„Wir haben das Fertigungsproblem mit einem neuartigen Ansatz zur gleichzeitigen Verarbeitung des Loch-selektiven Kontakts und der Perowskitschicht in einem einzigen Schritt angegangen, was zu einer Spitzenleistung von 24,5 % und einer außergewöhnlichen Stabilität für invertierte Perowskit-Solarzellen führt. Dies bringt die Kommerzialisierung der Technologie einen Schritt näher“, so Zonglong weiter.
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In der Regel werden PSCs durch einen Schicht-für-Schicht-Prozess hergestellt, bei dem unterschiedliche Schichten der Solarzelle übereinander abgeschieden werden. Obwohl dieser Ansatz erfolgreich war, um hochleistungsfähige Perowskit-Solarzellen herzustellen, bringt er Probleme mit sich, die die Kommerzialisierung erschweren, wie zum Beispiel höhere Herstellungskosten, unzureichende Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit.
Um die Herstellbarkeit von PSCs zu verbessern, arbeitete Dr. Zhu mit Dr. Joseph M. Luther vom NREL zusammen, um gemeinsam einen neuen Ansatz zur Herstellung effizienter invertierter Perowskit-Solarzellen zu erfinden, bei dem der Loch-selektive Kontakt und der Perowskit-Lichtabsorber in einem einzigen Lösungsbeschichtungsverfahren spontan entstehen können.
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Wenn bestimmte phosphonische oder carboxylische Säuren zu Perowskit-Vorläufersubstanzen hinzugefügt werden, bilden sie sich beim Perowskit-Filmprozess selbstorganisiert auf dem Indiumzinnoxid-Substrat und bilden eine robuste, selbstorganisierte Monoschicht als exzellenten Loch-selektiven Kontakt, während der Perowskit kristallisiert. Dieses Ein-Schritt-Verfahren löst nicht nur Benetzungsprobleme, sondern vereinfacht auch die Geräteherstellung, indem es sowohl den Loch-selektiven Kontakt als auch den Perowskit-Lichtabsorber gleichzeitig und nicht wie beim traditionellen Schicht-für-Schicht-Prozess herstellt.
Die neu entwickelte PSC hat einen Wirkungsgrad von 24,5 % und kann selbst nach 1.200 Betriebsstunden an dem maximalen Leistungspunkt unter kontinuierlicher Beleuchtung mehr als 90 % ihrer Anfangseffizienz behalten. Ihr Wirkungsgrad ist vergleichbar mit ähnlichen PSCs auf dem Markt.
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Das Forscherteam zeigte auch, dass der neue Ansatz mit verschiedenen selbstorganisierten Monolayersystemen, Perowskit-Zusammensetzungen, Lösungsmitteln und skalierbaren Verarbeitungsmethoden wie Spin-Coating- und Blade-Coating-Techniken kompatibel ist. Zudem haben die mit dem neuen Ansatz hergestellten PSCs eine vergleichbare Leistung mit denen,
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